专利名称：检测传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测外力或者加速度的检测传感器。
背景技术：
作为检测外力或者加速度的传感器，例如可以列举加速度传感器和位移传感器。 其中，关于加速度传感器，一般是由容量变化或者电阻应变方式检测可动质量的静态位移 的方法。例如，在下述专利文献1中公开了根据静电容量的变化检测位移的加速度传感器。专利文献专利文献1 日本特开平10-206457号公报
发明内容
发明所要解决的问题然而，在由静电致动器(static actuator)检测静电容量变化的情况下，为了提高 灵敏度需要下工夫，电阻应变方式容易招致装置的复杂化。本发明是为了解决上述问题而悉心研究的结果，以提供一种能够用简易的结构高 灵敏度地检测外力或者加速度的检测传感器为目的。解决问题的技术手段本发明的检测传感器具备包含具有多个固定梳齿部的固定电极和具有多个插入 到固定梳齿部之间的可动梳齿部的可动电极的梳齿电极、为了由相对于固定电极的静电力 使可动电极以规定的共振频率振动而被连接于固定电极和可动电极的电源、以及基于使可 动电极振动时的固定电极与可动电极之间的电气特性的变化而检测外力或者加速度的检 测单元，关于邻接的固定梳齿部以及被插入其间的可动梳齿部，一个固定梳齿部和该可动 梳齿部的间隔与另一个固定梳齿部和该可动梳齿部的间隔不同。根据这样的检测传感器，关于邻接的固定梳齿部与被插入其间的可动梳齿部，因 为固定梳齿部与可动梳齿部的间隔在左右不同，所以如果以规定的共振频率的静电力使可 动电极振动，那么在施加外力的时候，固定电极与可动电极之间的电气特性会发生较大的 变化。因此，通过检测该变化，能够高灵敏度地检测外力或者加速度。另外，装置的结构也变得简单。在本发明的检测传感器中，优选，电源提供使可动电极在可动梳齿部的排列方向 上振动的共振频率的电力。在此情况下，因为可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动，所以能够特别高灵 敏度地检测施加于该排列方向上的外力或者加速度。在本发明的检测传感器中，优选，电源提供使可动电极在可动梳齿部的延伸方向 上振动的共振频率的电力。在此情况下，因为可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动，所以能够特别高灵 敏度地检测施加于该延伸方向上的外力或者加速度。
在本发明的检测传感器中，优选，电源通过在使可动电极在可动梳齿部的排列方 向上振动的第1共振频率与使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率之 间切换规定的频率，从而变更可动电极的振动方向，可动电极在第1共振频率下，在可动梳 齿部的排列方向上振动，在第2共振频率下，在可动梳齿部的延伸方向上振动。在此情况下，在可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动的情况下，能够特别高 灵敏度地检测被施加于该排列方向上的外力或者加速度，并且在可动电极在可动梳齿部的 延伸方向上振动的情况下，能够特别高灵敏度地检测被施加于该延伸方向上的外力或者加 速度。而且，因为电源通过切换共振频率从而变更可动电极的振动方向，所以对应于所检测 的外力或者加速度的方向而仅切换共振频率，从而能够高灵敏度地检测外力或者加速度。在本发明的检测传感器中，优选，电源产生重叠了使可动电极在可动梳齿部的排 列方向上振动的第1共振频率和使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频 率的信号。在此情况下，在共振频率下使可动电极在可动梳齿部的排列方向上振动，在共振 频率下使可动电极在可动梳齿部的延伸方向上振动。在此情况下，在可动梳齿部的排列方 向和延伸方向上，因为由外力或者加速度而发生变化的共振频率各不相同，所以即使不进 行频率切换，也能够分别高灵敏度地检测各个方向的外力或者加速度。在本发明的检测传感器中，优选，与固定梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的 方向上的该固定梳齿部的长度和与可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的 该可动梳齿部的长度不同，电源提供使可动电极在与可动梳齿部的延伸方向以及排列方向 正交的方向上振动的共振频率的电力。在此情况下，因为与固定梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向(高度方 向)上的该固定梳齿部的长度和与可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向(高度 方向)上的该可动梳齿部的长度不同，所以通过取得在以规定的共振频率使可动电极振动 的时候的、固定电极与可动电极之间的电气特性，从而即使在高度方向上也能够检测外力 或者加速度。在本发明的检测传感器中，优选，电源与成为共振频率的信号重叠地产生直流偏 压信号。发明的效果根据这样的检测传感器，通过使固定梳齿部与可动梳齿部的间隔在左右不同，从 而能够根据将共振频率的静电力赋予可动电极的时候的固定电极与可动电极之间的电气 特性的变化而检测外力或者加速度。其结果，能够用简易的结构高灵敏度地检测外力或者 加速度。
图1是示意性地表示实施方式所涉及的外力检测传感器的整体结构的立体图。图2(a) (C)是表示可动电极的振动的情况的照片。图3是表示导纳与频率之间的关系的图表。图4是表示共振频率与直流偏压之间的关系的图表。图5是表示导纳曲线的解析值与实测值的比较的图表。
图6是表示关于共振频率的直流偏压依赖性的解析值与实测值的比较的图表。图7是表示共振频率与电压灵敏度之间的关系的图表。符号的说明1…外力检测传感器、2…梳齿电极、3…电源、4…检测部(检测单元)、10…固定电 极、1 …固定梳齿部、20···可动电极、20a…可动梳齿部。
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。在本实施方式中，将本发 明所涉及的检测传感器适用于外力检测传感器。还有，在附图的说明中，将相同的符号标注 于相同或者同等的要素上，从而省略重复的说明。图1是示意性地表示实施方式所涉及的外力检测传感器的整体结构的立体图。图 2(a) (c)是表示可动电极的振动的情况的照片。图3是表示导纳(admittance)与频率 的关系的图表。图4是表示共振点与直流偏压的关系的图表。图5是表示导纳曲线的解析 值与实测值的比较的图表。图6是表示关于共振点的直流偏压依赖性的解析值与实测值的 比较的图表。图7是表示共振点与电压灵敏度的关系的图表。外力检测传感器1具备梳齿电极2、电源3以及检测部(检测单元)4。梳齿电极 2具有固定电极10以及可动电极20。固定电极10被构成为包含下部硅层11、上部硅层12以及被夹持于这两个上下硅 层的绝缘层13。上部硅层12具有多个突出为凸状的固定梳齿部12a。可动电极20由硅形成，并被弹性支撑部21所支撑。可动电极20具有多个突出为 凸状的可动梳齿部20a。可动梳齿部20a以被插入到邻接的固定梳齿部1 之间的方式进 行配置。即固定电极10的固定梳齿部1 和可动电极20的可动梳齿部20a以隔开一定的 间隙进行咬合的方式进行配置。其结果，固定电极10(上部硅层1 与可动电极20相对。关于邻接的固定梳齿部12a以及被插入其间的可动梳齿部20a，一个固定梳齿部 12a与可动梳齿部20a的间隔(图1中的Y1)和另一个固定梳齿部12a与可动梳齿部20a 的间隔(图1中的I)不同。电源3是用于相对于固定电极10使可动电极20振动的装置，被构成为包含交流 电源31、直流电源32以及电阻部33。电源3被连接于固定电极10和可动电极20。通过由 直流电源32将偏置电压施加于固定电极10与可动电极20之间，并由交流电源31重叠地 施加交流电压，从而可动电极20相对于固定电极10发生振动。电源3以规定的共振频率 的静电力使可动电极20在规定的方向上振动。在图2中表示由电源3而引起的可动电极20的振动的情况。图2(a)是可动电极 20还未振动的状态的照片。图2(b)是通过赋予某个规定的共振频率(第2频率)从而可 动梳齿部20a(可动电极20)在X方向上振动的状态的照片。图2(c)是通过赋予与第2频 率不同的规定的共振频率(第1共振频率)从而可动梳齿部20a(可动电极20)在Y方向 上振动的状态的照片。在此，所谓X方向，是指固定梳齿部12a以及可动梳齿部20a的延伸 方向，所谓Y方向，是指固定梳齿部12a以及可动梳齿部20a的排列方向。这样，电源3通 过切换共振频率从而变更可动电极20的振动方向。电源3也可以在重叠了使可动电极20在Y方向上振动的第1共振频率和使可动电极20在X方向上振动的第2共振频率的信号的静电力下使可动电极20振动。在此情况 下，可动电极20在对角线方向上振动。检测部4是基于在以规定的共振频率使可动电极20振动的时候的固定电极10与 可动电极20之间的电气特性的变化而检测外力的部分。还有，在图1中，检测部4与固定 电极10以及可动电极20连接，但是，也可以被连接于电阻部33的两端，也可以被连接于电 源3的两端。另外，也可以串联连接电源3和检测部4。在此，对由检测部4检测外力的原理进行说明。在如以上所述决定X方向以及Y 方向的情况下，由直流电压E以及交流电压e的施加而发生振动的外力检测传感器1的拉 格朗日(Lagrangian)由下述式(1)表示。[数1]L = -MV2x +-mvl -^kx(X + x)2 -丄、+ -1 (込”)2 ...(1)22.222 C{x, y) + Cp在此，X，Y是由直流电压E的施加而朝着可动梳齿部20a的X，Y方向的位移量。 X，y是由交流电压e的施加而朝着可动梳齿部20a的X，Y方向的位移量。vx，vy分别是朝 着X方向、Y方向的移动速度。m是可动电极20的质量。kx，ky是支撑各个可动电极20的 弹性支撑部21的X方向、Y方向的弹簧常数。C(x，y)是固定电极10与可动电极20之间的 静电容量，Cp是下部硅层11与上部硅层12之间的寄生容量。另外，Q0, q是分别表示由直 流电压和交流电压的施加而引起的电荷量的值。将固定梳齿部12a以及可动梳齿部20a的根数(梳齿的根数)作为n，将各个梳齿 部的高度(图1中的上下方向的长度)作为b，此时，静电容量C(x，y)由下述式(2)表示。 还有，ε ο是真空的介电常数。另外，\是沿着X方向的固定梳齿部1 和可动梳齿部20a 的初始间隔(没有振动时的间隔)。再有，Y1是邻接的固定梳齿部12a以及被插入其间的 可动梳齿部20a中的一个固定梳齿部1 与可动梳齿部20a的初始间隔，Y2是另一个固定 梳齿部12a与可动梳齿部20a的初始间隔。[数 2]f \ 1 1C(x, y) = n￡0b(X0 + X + χ) -+--... (2)U,-y-y y2 + y+yj另外，系统的能量耗散函数F作为电流i以及速度\，\的函数并由下述式(3)给 出。还有，rf，R分别是机械阻力和电阻。[数3]尸=丄 rfvl + - rfvl- +-Ri1 ... (3)2 2 2关于机械坐标系(X方向以及Y方向)以及电气坐标系的拉格朗日运动方程式使 用上述式(1)、(2)并如以下所示表示。在此，fx，fy分别是外力的X成分和Y成分。[数4]
权利要求
1.一种检测传感器，其特征在于， 具备梳齿电极，包含具有多个固定梳齿部的固定电极以及具有多个插入所述固定梳齿部之 间的可动梳齿部的可动电极；电源，为了利用相对于所述固定电极的静电力使所述可动电极以规定的共振频率振动 而被连接于所述固定电极和所述可动电极；以及检测单元，基于使所述可动电极振动的时候的所述固定电极与所述可动电极之间的电 气特性的变化，检测外力或者加速度，关于邻接的所述固定梳齿部以及插入其间的所述可动梳齿部，一个固定梳齿部和该可 动梳齿部的间隔与另一个固定梳齿部和该可动梳齿部的间隔不同。
2.如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源提供使所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动的共振频率的电力。
3.如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源提供使所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动的共振频率的电力。
4.如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源通过在使所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动的第1共振频 率与使所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率之间切换所述 规定的频率，从而变更所述可动电极的振动方向，在所述第1共振频率下，所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动，在所述 第2共振频率下，所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动。
5.如权利要求1所述的检测传感器，其特征在于，所述电源产生重叠了使所述可动电极在所述可动梳齿部的排列方向上振动的第1共 振频率以及使所述可动电极在所述可动梳齿部的延伸方向上振动的第2共振频率的信号。
6.如权利要求1 5中任意一项所述的检测传感器，其特征在于，与所述固定梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的该固定梳齿部的长度和 与所述可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的方向上的该可动梳齿部的长度不同，所述电源提供使所述可动电极在与所述可动梳齿部的延伸方向以及排列方向正交的 方向上振动的共振频率的电力。
7.如权利要求1 6中任意一项所述的检测传感器，其特征在于， 所述电源与成为所述共振频率的信号重叠地产生直流偏压信号。
全文摘要
本发明涉及检测传感器。将用简易的结构高灵敏度地检测外力或者加速度作为目的。外力检测传感器(1)具备包含具有多个固定梳齿部(12a)的固定电极(10)以及具有多个插入固定梳齿部(12a)之间的可动梳齿部(20a)的可动电极(20)的梳齿电极(2)、为了由相对于固定电极(10)的静电力以规定的共振频率使可动电极(20)振动而被连接于固定电极(10)和可动电极(20)的电源(3)、基于使可动电极(20)振动的时候的固定电极(10)与可动电极(20)之间的电气特性的变化检测外力的检测部(4)，关于邻接的固定梳齿部(12a)以及插入其间的可动梳齿部(20a)，一个固定梳齿部(12a)和可动梳齿部(20a)的间隔与另一个固定梳齿部(12a)和可动梳齿部(20a)的间隔不同。
文档编号G01P15/10GK102057264SQ20098012086
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者桥口原 申请人:国立大学法人静冈大学